Robust torque and speed control techniques of a permanent magnet(PM) synchronous motor are presented for high performance direct drive applications. Some important characteristics of the PM synchronous motor are investigated and two major problems are considered as the major factors of degrading the control performance of the PM synchronous motor in the direct drive applications. One of the most serious problems is the torque pulsation or harmonics caused by the non-sinusoidal distribution of the linkage flux and the other is the load sensitivity due to the direct coupling of the external load. Therefore, the development of the novel torque and speed control techniques of the PM synchronous motor for direct drive applications are considered as a main topic of this dissertation.
In order to overcome the problem first mentioned and related on the torque harmonics, a new concept of the torque control dealing with an instantaneous torque is introduced as an effective replacement of the current control technique associated with a concept of the field orientation. The mathematical model considering the flux harmonics is derived from some prior knowledges on the non-ideal construction of the PM synchronous motor. The new instantaneous torque control technique is proposed and designed based on this model. The proposed scheme consists of the adaptive torque estimator and robust torque controller using the model reference adaptive system(MRAS) and variable structure control(VSC) techniques, respectively. The linkage flux of the motor including the flux harmonics is first estimated by a flux estimator using the MRAS technique and the torque is calculated by using this estimated flux and measured stator current. Then, the estimated torque is instantaneous controlled by a robust control technique using the VSC. The undesirable torque harmonics can be effectively reduced by employing the proposed control technique. The simulation and experimental results well verify the effectiveness of the proposed control technique.
In order to deal with the load sensitivity problem caused by the direct coupling of the external load, a robust speed control technique using the VSC is considered. However, since the VSC has some practical limitations such as the control chattering and reaching problems, the technique of overcoming these limitations is proposed in a practical point of view. The proposed speed control technique is composed of an integral variable structure control(IVSC) and disturbance observer. The additional integral action of the proposed IVSC provides the advantage of improving the robustness and steady state performance. In order to reduce the control chattering known as a serious problem in the practical implementation of the VSC technique, a new compensating technique using the disturbance observer is introduced. Since the large portions of the unknown disturbance can be eliminated by this compensating control, the switching input of the proposed control can be chosen as much smaller than that of the conventional VSC without the compensating control. As a result, the control chattering can be remarkably reduced. This compensating control is combined with the IVSC and the stability of the combined observer and controller system is proved in the Lyapunov sense. The simulation and experimental results are also given and the improvements of the control performance is well demonstrated by these results.
For the experimental verifications, both two control techniques are applied to the high torque PM synchronous motor drive system designed for direct drive applications and their control algorithms are implemented in a digital manner using a software of a high speed digital signal processor(DSP).
전기식 서보 시스템의 구성에 있어서 직접 구동 방식은 일반적인 구동 방식과는 달리 기계적인 감속 기구를 사용하지 않으므로 백래쉬, 마찰, 소음, 진동, 마모 등의 여러 가지 기계적인 문제점 없이 간단하고 신뢰성 있는 시스템을 구성할 수 있다는 장점이 있다. 직접 구동 시스템에 사용되는 전동기는 크게 직류 토오크 전동기, 영구자석 동기 전동기가 있으며 전력 밀도, 토오크 관성 비, 방열, 유지 보수 등 여러 가지 면에서 장점을 가지고 있는 영구자석 동기 전동기가 많이 쓰인다. 그러나, 영구자석 동기 전동기를 직접 구동 시스템에 응용할 때 일반적인 전동기 구동 시스템과는 달리 많은 제어 상 문제점이 발생하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제점들을 해석하고 여러 가지 제어 기법들을 사용하여 이러한 문제점들의 해결 방안을 제시 하고자 하였다.
영구자석 동기 전동기의 직접 구동 응용시 발생하는 문제점들은 크게 전동기의 구조상 발생하는 토오크 맥동과 직접 구동 방식의 채용으로 인한 부하 변동에 대한 민감성으로 나눌 수 있다. 전동기의 구조상 발생하는 토오크 맥동의 원인은 자속의 고조파 성분, 고정자 슬롯에 의한 코깅 등이 있으나 본 논문에서는 자속의 고조파 성분에 의해서 발생하는 토오크 맥동의 저감에 대해서 다루었다. 이를 위해 기존의 정현파 전류 제어 기법 대신 직접 전동기의 토오크를 제어하는 순시 토오크 제어 방식을 도입하였다. 그리고, 기존의 순시 토오크 제어 방식의 단점을 해결하는 새로운 제어 방식을 제안 하였다. 제안된 제어 방식에서는 모델 기준 적웅 시스템 (Model reference adaptive system; MRAS) 기법을 사용하여 전동기의 자속을 추정하였고 이와 측정 전류를 이용하여 전동기의 발생 토오크를 추정하였다. 그리고, 가변구조 제어(Variable structure control; VSC)기법을 이용하여 추정된 토오크를 순시적으로 제어 하였다. 본 논문의 4장에서 제안된 순시 토오크제어 기법의 개념 및 설계 방법 등에서 대해서 다루었고 Lyapunov stability 등을 이용하여 제어 시스템의 안정성을 검증 하였다. 그리고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 제어 기법의 적용에 의해 토오크 맥동이 효과적으로 제거됨을 입증 하였다.
부하 변동에 대한 제어 성능의 민감성은 직접구동 시스템의 제어에 있어서 오랫 동안 연구 되어 온 중요한 과제 중의 하나 이다. 본 논문에서는 가변구조 제어 기법을 적용하여 부하 변동에 강인한 제어 시스템을 구성 하고자 하였다. 그러나, 가변구조 제어를 실제 시스템에 응용 하는데는 채터링, 리칭 페이즈, 정상상태 오차 등 유한한 스위칭 입력에 의해 발생하는 문제점들이 있으며 이는 제어 시스템의 성능 저하, 소음 진동 등을 야기 시킨다. 따라서, 본 논문의 5장에서는 이러한 문제점의 해결을 다루었으며 하나의 문제 해결 방안으로 외한 관측기를 갖는 적분형 가변구조 제어 기법을 제안 하였다. 기존의 가변구조 제어기와는 달리 제안된 방식에서는 전동기의 관성 모멘트, 토오크 변동 등의 외란을 외란 관측기를 이용하여 미리 보상 해 줌으로 인해 제어기의 스위칭 입력을 최소화 할 수 있어 제어 입력의 채터링을 크게 줄일 수 있다. 또한, 스위칭 면의 구성에 있어 적분 항을 추가 함으로써 리칭 페이즈 문제의 해결 및 정상상태 오차를 없앨 수 있다. 관측기와 제어기의 결합 시스템에 대해 역시 Lyapunov stability를 이용하여 이론적인 안정성을 검증 하였으며 시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 제어 기법이 전동기의 부하 변동에 대해 기존의 제어 기법들에 비해 강인한 제어 성능을 가지고 있음을 검증할 수 있었다.
본 논문은 위에서 언급한 바와 같이 영구자석 동기 전동기를 직접구동 시스템에 적용할 때 발생하는 두 가지 큰 문제점들을 실제적인 응용 관점에서 다루었으며 문제 해결을 위한 새로운 제어 기법들을 제시 하였다. 제안된 제어 기법들은 모두 120W급 고 토오크 직접 구동형 영구자석 동기 전동기 제어 시스템에 적용되어 다양한 조건 하에서의 실험을 통하여 실제적인 응용 가능성을 충분히 확인 하였다. 제안된 제어 기법들은 직접 구동 시스템의 응용에 있어서 최대의 과제인 제어상의 난점을 해결하는 보다 실제적인 방안의 하나로써 큰 의미가 있다고 할 수 있으며 향후 직접 구동형 로봇, 수치제어 공작기계, 고 정밀 제어 시스템 등에 대한 적용이 기대된다.
